Senzorji in zajemanje podatkov

Visokošolski učitelji: Beguš Samo
Sodelavci: Stanonik Martin

Opis predmeta

Pogoji za vključitev v delo oz. za opravljanje študijskih obveznosti:

• Vpis v letnik,
• osnovna znanja iz fizike,
• matematike in elektrotehnike.

Vsebina:

Senzorji in pretvarjanje fizikalnih veličin. Senzorji in merjenje fizikalnih veličin. Tehnologije ter načrtovanje senzorjev: mehanski senzorji, kemični senzorji, toplotni senzorji, optični senzorji, magnetni senzorji, biosenzorji, akustični senzorji, senzorji v nadzoru okolja. Senzorji in nanotehnologije. Aktuatorji.

Senzorji v avtomatiki, robotiki, diagnostiki, nadzoru, v proizvodnji in trgovini, identifikaciji, energetiki, medicini, varovanju, zaščiti. Statične in dinamične lastnosti senzorjev, modeli senzorjev. Senzorji in signali, senzorji in zajemanje ter obdelava signalov. Reprezentativnost pridobljenih signalov. Senzorji in pretvorbe fizikalnih veličin prvega in višjih redov. Značilne lastnosti senzorjev in korekcije. Terminologija senzorjev. Zagotavljanje kakovosti v proizvodnji in uporabi senzorjev. Senzorji v avtomatskih proizvodnih procesih, komunikacija in standardizacija, samodiagnostika, mikroračunalniška podpora. Nevronske mreže pri kompleksni obdelavi merilnih signalov. Elektromagnetna kompatibilnost senzorjev.

Uporaba: V najrazličnejših sistemih, pri raziskavah, v industriji, ... in domačem okolju je potrebno nadzorovati in ovrednotiti razne fizikalne procese, tako tehnološke kot biološke.

To dosežemo z meritvami, ki nam dajo informacije o fizikalnih veličinah, ki so za proces značilne. Pri meritvah je osnovni element senzor, ki dano fizikalno veličino največkrat pretvarja v drugo, tako, ki je meritvam lažje dostopna. Običajno so to elektrotehniške veličine, ki jih obdelujemo v analogni ali digitalni tehniki.

Tehnologije senzorjev se razvijajo, nastajajo novi, občutljivost se izboljšuje, velikost zmanjšuje, cena pada. Nespremenljivi so le osnovni fizikalni principi. Pri predmetu obravnavamo osnove pretvorb fizikalnih veličin, načrtovanja in uporabe senzorjev, njihove značilne lastnosti, interakcijo z okoljem. Predstavljeni so načini vključevanja senzorjev v merilne sisteme z zajemanjem podatkov (prilagoditev signalov, analogno – digitalna pretvorba, obdelava prikaz merilnih rezultatov).

Cilji in kompetence:

Poznavanje fizikalnih osnov pretvarjanja fizikalnih veličin, merilnih metod in metroloških zahtev.

Predvideni študijski rezultati:

• Znanje in razumevanje: Poznavanje fizikalnih osnov pretvorbe fizikalnih veličin, načrtovanje in uporaba senzorjev, značilne lastnosti in optimizacija, interakcije senzorja z okoljem. Senzor kot sistem v procesu in kot del merilnega sistema.
• Individualni seminarji pripravljeni v obliki članka, predstavljeni z nastopom pred avditorijem.
• Samostojno iskanje in izbira virov (knjige, revije, članki, internet...), priprava elaborata, pisanje članka v skladu z zahtevami za objavo v strokovni reviji, predstavitev pred kritično publiko z vprašanji in odgovori.

Metode poučevanja in učenja:

• Predavanja,
• praktični prikazi,
• laboratorijske vaje.

Laboratorijske vaje

Študentje spoznavajo delovanje različnih senzorjev na praktičnih primerih. Sestavljajo vezja za obdelavo signalov s senzorjev, merijo karakteristike senzorjev in obdelujejo izmerjene podatke s programskimi orodji.

Primeri laboratorijskih vaj:

Hall senzor

Meritev gostote magnetnega pretoka permanentnega magneta iz trdega diska osebnega računalnika s Hall magnetometrom.

Ultrazvočni senzor razdalje

Video

Demonstracija delovanja ultrazvočnega senzorja z ločenim oddajnikom in sprejemnikom. Na zaslonu ociloskopa sta prikazana oddani in sprejeti signal v odvisnosti od razdalje. Z dodatno avtomatsko obdelavo zajetih signalov se izboljša ločljivost merjenja.

Merjenje vibracij

Asinhronski motor s pospeškometrom. Spekter vibracij.

Zvočnik s pospeškometrom v povratni zanki. S povratno zanko se izboljša frekvenčni odziv in zmanjša harmonsko popačenje.

Infrardeči senzorji

Levo: delovanje piroelektričnega senzorja: brez vzbujanja, s hkratnim vzbujanjem obeh senzorskih elementov in z vzbujanjem obeh senzorskih elementov izmenoma. Decno: Enostavna termovizijska kamera s sliko osebe pred steno.

_____________________________________________________________________________

Študentje lahko sodelujejo pri nekoliko zahtevnejših meritvah:

Merjenje magnetokardiograma, to je merjenje gostote magnetnega pretoka v okolici srca.

Video

Magnetokardiogram v odvisnosti od časa nad prsnim košem. Grafi na desni prikazujejo elektrokardiogram in magnetokardiogram na dveh mestih (mesti sta označeni z rdečo in modro piko na levi strani slike).

Merjenje hrupa z akustično kamero

Video

Merjenje hrupa vtalnega stroja z akustično kamero v gluhi sobi.

Gradiva

Temeljni literatura in viri:

1. J. Fraden, Handbook of modern sensors: physics, designs, and applications, Springer, 2010.
2. D. Fefer in A. Jeglič, Senzorji in pretvorniki, Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, 2006.
3. IEEE Sensors Journal, A Publication of the IEEE Sensors Council, ISSN 1530-437X.
4. H. Baltes, W. Gopel, J. Hesse, Sensors, Vol. 1,2,....., 12, Wiley VCH, 2005.
5. Larry J. Kricka, Mocrochips, mocroarrays, biochips and nanochips: personal laboratories for the 21st century, Department of Pathology and Laboratory Medicine, University of Pennsylvannia Medical Center.
6. Bela G. Liptak, Process Measurement and Analysis, Volume 1, Fourth Edition, Instrument Engineers Handbook, CRC Press LLC, Boca Raton, Florida. 2003, ISBN- 0-8493-1083-0 (v.1).
7. Richard G. Lyon, Understanding Digital Signal Processing, Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 2001.